1938年底，日寇侵占包头，威胁大西北。蒋介石任命马鸿宾为绥西防守司令，除绥西现有部队统归马鸿宾指挥外，并由马鸿逵部调拨一个步兵旅、两个骑兵旅。次年，马鸿宾赴绥西临河就职，他察看了防区各友军设防情况，指定了八十一军防区范围。部署是：军部及其直属队驻临河县城，马腾蛟的三十五师师部驻五原城东北三十多华里的折桂乡，马玉麟的一○三旅旅部驻乌镇。
马鸿宾在抗战前线，首先强调两点：一是讲究军风军纪。要求部队有吃苦耐劳的思想准备，要爱护老百姓。强调“观民心之向背，知军纪之良否”。无论行军或驻守，任何人不准进民房，一切辎重、炊具、用具都要带全，不准借用老百姓任何东西。一是讲究战术，他和他的军参谋长马惇靖经常召集军部有关人员研究作战计划，把防区内外的山川地形、各部队设防位置、火力配备等都做在沙盘上，进行沙盘战术演习。注意部队的构筑防御工事和射击教育，不断组织各部队进行射击比赛，他自己的射击技术就很好，弹不虚发。对各部队所做的工事，他都亲自反复检查，不断加固。马惇靖还特别注意通讯联络工作，除电报、电话外，还有骑兵通讯、音号通讯、旗语通讯、火光通讯等。尤其注重夜间野外训练，曾在乌镇、司仪堂、乌布浪口等地进行过大型野外演习，并请苏联专家作指导讲评。这些都对部队的作战能力有所增强。
1．乌拉脑包取胜
1939年夏秋之交，日寇乘汽车、装甲车、坦克车从包头出发，向八十一军防地进犯。战前几小时，军参谋长马惇靖曾到乌镇检查防地，之后即通过电话指挥战斗。他命令部队既要利用防御工事沉着应战，发扬火力，杀伤敌人；又要捕捉战机主动出击，利用地形向敌人侧后迂回。日寇开始向我军进行猛烈的炮轰。我军以八二迫击炮还击，由于旧式迫击炮，一发射就冒烟暴露目标，敌人立即向我炮兵阵地倾泻炮弹200余发，我炮兵失去还击能力。接着，敌人在大炮、机枪火力掩护下，乘坦克、装甲车、汽车蜂拥而来。我军固守在工事内，当敌人进入步枪有效射程以内，正在下车之际，我军二○六团一营官兵一下子冲到敌人跟前，与敌人展开肉搏战，把敌人打得晕头转向，有的没来得及下车，就被打死在车上；下了车的，被打得死的死，伤的伤，立即钻进车里逃跑，日寇的死尸，则用一种特殊装置装上汽车拉走。我军缴获汽车两辆，炮弹100多发，子弹几十箱，少数枪支、指挥刀等，后来把缴获的汽车开到五原县城，老百姓写的欢庆标语，在汽车全身贴了一层又一层，充分表现了人民群众的爱国热情。乌镇有位老艺人，编了庆祝胜利的歌曲，在街头自弹自唱，唱词中有这样几句：“咱们老西军，打起仗来真能行。打跑了日本兵，缴获汽车拉进五原城，全城百姓庆祝又欢迎，依靠咱的老西军，打败日本兵，百姓得安宁。”
2．乌布浪口失利
1940年2月1日，日寇3万余人，汽车、装甲车、坦克1500多辆，飞机多架，由黑田师团长指挥，分两路进犯绥西，一路向马七渡口向我骑七师门炳岳部进攻，一路向乌布浪口、司仪堂、乌拉脑包、乌镇一带向八十一军防地进犯。在八十一军二○五团阵地前沿，日寇自晨至午共结集780多辆各种车辆。然后先以3架飞机在八十一军阵地上空侦察、轰炸，再以大炮轰击。于是坦克、装甲车、汽车逐渐接近我军阵地。首先以4辆车向我二○八团阵地作试探性进攻，射击10多分钟，3辆车掉头回跑，只留1辆停下不动，我军跃出战壕冲去，这辆车突然掉头射击，立即打死打伤我士兵10多人。经过这一试探性进攻之后，敌人300辆各种车辆向我阵地冲来。我军阵地前挖有宽深3米的一道防御沟，从乌布浪山口的山脚直到黄河北岸约20华里长，沟前还有50米宽的陷坑地带，这对防敌接近起了良好作用，但同时又可能被敌人利用作为掩体。日寇到达我阵地前沿，双方激战到天黑，互有伤亡。敌机又利用顺风向我阵地不断施放毒气，我军虽有土办法防毒，但仍有不少官兵中毒，轻者可坚持，严重者只得送下火线，大大削弱了部队作战能力，而二○五团伤亡较多，战斗力减弱最甚。夜10时许，二○六团二营营附马建功率两个连，从乌拉脑包出发，经司仪堂向乌布浪口增援，由于黑夜、地形不熟，脚下发出响声，被敌发觉，马建功在激战中被手榴弹炸死，但两个连则到达阵地，与守军共同抗敌。夜11时半左右，二○八团阵地被敌人突破，但敌人不敢贸然前进，后半夜战况缓和。次日黎明，战斗又紧张起来，马腾蛟命二○六团第一营从乌拉脑包向司仪堂增援，两者相距七八里的开阔地，官兵们在敌人炮火烟雾中时而卧倒时而猛冲地到达司仪堂，敌人炮火越来越猛，下午1时许，敌人突破我军司仪堂阵地，二○八团一个营被迫从乌布浪口上山撤退。
司仪堂阵地全是大沙漠，斯时又被白雪覆盖，无自然地形可利用作掩蔽，而敌人又是陆空联合，步炮协同节节进迫。因而我军开始撤退即失去掌握。有的利用第二道防御沟顺沟往下撤，敌人很快占领了沟的东头，用机枪顺沟扫射正在撤退的我军；在另一条南北走向的洪水沟里，敌人同样占领沟北头，用机枪扫射。因此，许多官兵牺牲在这两条沟里。下午，旅长马玉麟在乌镇收容部队，傍晚又向临河方向撤退。师长马腾蛟挡住各团团长，命令指挥部队守住乌镇，但部队建制已乱，黑夜间根本无法指挥，只好后撤。这时，我军官兵已两天两夜没吃一口饭、没喝一口水，天又寒冷，不少人在行走中即倒在路旁。战后收容的伤残人员中，光冻伤的就有700多人。
这次战役，八十一军从临河一直撤退到磴口。日寇占领了五原、临河，直到临河以西的黄杨木头才停止前进。八十一军共损失1000余人，丢失了不少轻重武器。这次失利，当然有敌人武器兵力优于我的客观原因，但指挥上也有问题。当时马鸿宾正在重庆开会，师长马腾蛟指挥不灵，各部队协调不够。马鸿宾得知失败的消息，立即赶到磴口，处理善后。对失职的二○八团团长马锺、该团二营营长马希舜，带上脚镣押到黄渠桥撤职查办；努力作战的二○五团一营营长马维麟提升为二○五团团长，该营营附王五典提升为营长。将收容的部队，重新组成两个团，补充了装备，令旅长马培清率领，重返后套，协同傅作义部队继续与日寇作战。
3．伊克昭盟之战
1940年，八十一军主力三十五师和两个骑兵连移防伊克昭盟北部。其二○五团驻新民堡一带，二○六团驻新民堡西10余华里的王乃召。王乃召有个康熙年间修建的喇嘛庙，名叫广慧寺，殿宇高大宏伟，房屋很多，有一定的历史文物价值。过去有不少喇嘛，战争起后，多数走散，只剩下二三十人。部队住在寺外的荒滩上。三十五师师部驻在沙窝地的一个名叫李玉山圪堵的小村子里，东北距新民堡十五六里，北距王乃召七八里。军长马鸿宾率前方指挥所驻王乃召西约十七八里的展旦召，其余部队驻展旦召前面及迤西地区。2月底，黄河封冻，可以行车。一天傍晚得情报：归绥（今呼和浩特）方面日寇军车六七十辆满载军队，已从托克托附近渡过黄河，向西进犯，在树林台一带和民兵义勇军接触，有继续西犯的可能，军部电话命令各团注意警戒。早上，在二○五团阵地前一道高丘上，出现很多日本兵，推来大炮30多门，一字摆开。副团长韩哲生向马鸿宾报告，马指示速将部队撤出阵地，退至西南沙窝地区。此命令还未及传达，敌人大炮向我阵地猛轰，团直属右翼阵地全部被毁，副连长1人、排长2人阵亡。我军旧式步枪射程太近，无法还击。敌人步兵即从右翼向我包抄过来。二○五团急忙后撤，前沿掩护团直退却的一小部分士兵，陷入敌人包围。团直退到沙窝后，马鸿宾电话严厉批评该团动作迟缓，并令在门坎梁（距新民堡5华里）收集散兵，设法找所属3个营迅速归还建制。第二天黎明，敌人又向二○六团发动进攻，先用大炮将广慧寺轰毁，随之步兵进攻。守兵根据马鸿宾指示抵抗1小时许，向沙窝撤退。此后敌人即以新民堡为据点，分兵到沙滩地带进行所谓扫荡战，并从包头调来6个伪蒙骑兵师（每师二三百人不等），接替日军分占驻守。马鸿宾命令各团，利用沙窝地军车不能畅行的条件进行“磨盘”战术，即敌进我退，敌退我进，与敌保持五六里之距离，如遇有利地形和机会即予反击。并选拔精壮二三十人组成突击队，夜间到新民堡附近放枪骚扰。如此相持八九天之后，一天上午，发现敌军车二三十辆，满载日兵，从新民堡出发，进入沙窝地带，军车即如蜗牛蠕动，无法快行。我二○五团即向西南撤退，敌兵下车步行前进。进到距门坎梁五六华里之兰四圪堵，正面有一不甚高大而坡度较陡的山岭，我军和敌人都抢先爬山，争取制高点。结果我军抢登山顶，我驻李玉山圪堵一连骑兵也从西翼抢上山顶，一齐开枪猛击，将抢上半山的几十名敌人全数击毙，敌后续部队爬山仰攻，抢运尸体，我军沉着应战，以手榴弹毙伤敌人200多人。此时因双方近距离作战，敌人大炮失去作用，我方凭有利地形，以轻武器给敌以很大杀伤。敌人4辆坦克冲来，我军才从两翼撤退。日军连夜在新民堡外焚尸，据附近群众说，敌人将他们的重伤士兵也浇上汽油，同死者一并焚烧，哭叫声惨不忍闻。后来，敌人烧了新民堡和王乃召的全部民房，匆匆渡黄河北去。所余伪蒙骑兵，我军连续对之发起攻击，经过1个多月、大小十几次战斗，伪蒙骑兵陆续溃逃，仅余柴登召一个据点，后也被傅作义部攻克。伊克昭盟乃全部恢复平静。
此后，八十一军还跟敌军交过几次手。1941年冬，日寇渡黄河，向包头南桃力民、大树湾等地进行扫荡，与八十一军遭遇，经两昼夜激战，将日军击退。八十一军还数次袭击驻包头西面昭君坟的日军，派小股部队伪装成当地老百姓，爆炸包头以东的铁路，阻碍日军运行。
1942年，蒋介石任傅作义为绥西防守总司令，马鸿宾为副司令。傅部防守包头西昭君坟、柴登召一带，马部防守包头南大树湾、桃力民一带。当年冬某夜，傅令该部郭师长率部攻克日军占领的柴登召。傅令八十一军攻打大树湾、史家营子、新城一带的日军。一七九团马奠邦率部攻下史家营子，敌遗尸10余具；另一部攻克新城。
1943年底，傅作义部队全部接绥西防地，马鸿宾即率部返回中宁。
1945年9月，抗日战争胜利。10月，国民党政府授予马鸿宾忠勤勋章。
抗战期间，八十一军还参与了一次镇压回民起义的活动。1939年农历四月初，海原沙沟门宦教主的后代马国瑞，不堪国民党政府的压迫剥削，纠合当地回族农民于海原艾蒿湾起义。这里正是八十一军防地。起义军一开始就攻破八十一军4个据点，缴枪60多支。后来起义军南下泾原一带活动。甘肃省主席朱绍良命令八十一军马鸿宾部，十七军高桂滋部和五十七军刘安祺部对义军进行“围剿”。同时组织回族上层人物进行说服，剿抚兼施。起义军坚持战斗1个多月遭到失败，伤亡3000多人，马国瑞阵亡。八十一军开始时对起义军进行残杀。驻沙沟八只窑的骑兵营营长马文奎，除对阵中打死起义军30多人外，还把受伤被俘的起义军20多人集体杀害。后来又展施欺骗手段，马鸿宾派一七九团团长马奠邦率两个骑兵营、一个步兵营进行“安抚”。马奠邦团部驻八只窑，他和固原县长郭某、海原县长王某向群众出示榜文，凡是参加起义的人，都要到当地驻军和乡长、保长处交出武器，领“良民证”，没有“良民证”的，立即逮捕。一场轰轰烈烈的起义，就这样被镇压下去。
尽管马鸿宾的部队在三十年代和四十年代打了不少的内战和外战，但由于他先后失去了甘、宁两省主席的位子，便没有了扎根的地盘。他的部队多年来只好蜷缩在甘宁边界的中宁、中卫、靖远一带，受到马鸿逵的限制，无从发展，仅得保持现状而已。